纳米流体强化传热实验研究进展_赵忠超

第25卷第1期2011年2月
江苏科技大学学报(自然科学版)
Journal of Jiangsu University of Science and Technology (Natural Science Edition )
Vol．25No．1Feb．2011
纳米流体强化传热实验研究进展
赵忠超，张东辉，陈育平，周根明
(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003)
摘要:随着对纳米流体研究的逐步深入，纳米流体作为一种新型强化传热介质，呈现出了与传统流体迥然不同传热性能．
文中综述了近年来纳米流体的制备、稳定性、强化换热性能等方面的最新实验研究进展，并对实验结果进行了简要分析，给出了在不同传热方式下影响其传热性能的主要因素，同时针对纳米流体实验研究的发展方向提出了展望．关键词:纳米流体;制备;强化换热中图分类号:TK172.4
文献标志码:A
文章编号:1673－4807(2011)01－0044－05
Progress in experimental research on enhancement of
heat transfer using nanofluids
Zhao Zhongchao ，Zhang Donghui ，Chen Yuping ，Zhou Genming
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering ，Jiangsu University of Science and Technology ，Zhenjiang Jiangsu 212003，China )
Abstract :As a kind of new media of heat transfer enhancement ，nanofluids have exhibited widely different heat transfer performance compared with traditional fluids．A comprehensive review for the recent development in ex-perimental research on synthesis ，stability and heat transfer performance is presented．The experimental results are analyzed．Primary factors of impact on the heat transfer performance of nanofluids are given．In addition ，the prospect of experimental research on nanofluids is presented．Key words :nanofluids ;preparation ;heat transfer enhancement 收稿日期:2010－02－26
基金项目:江苏科技大学青年骨干教师基金资助项目(37010901);江苏科技大学引进人才科研启动基金资助项目(35020704)作者简介:赵忠超(1975—)，男，山东青岛人，副教授，博士，研究方向为强化传热、建筑节能及室内空气品质．
E-mail :zhaozhongchao@yahoo．com．cn
随着科学技术的快速发展和能源问题的日益突出，热量传递问题大量出现在动力、冶金、石油、化工、材料等工程领域以及航空、航天等高技术领域，因此，强化传热技术在能源的开发和利用过程中起着重大甚至关键性的作用，并已经成为现代传热学中一个十分引人关注的研究领域．目前，全球工业飞速发展使强化传热技术面临更高的挑战，伴随着强化传热技术研究的深入，研究者逐渐认识到传统的导热流体，如水、油、乙二醇等，因其导热系数较低，已经成为制约强化传热技术发展的主要障碍，
特别是在能源、化工、微电子、航空及航天等领域．因此，研制导热系数高、换热性能好的高效传热流体成为强化传热技术的热点．20世纪90年代以来，研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领域，研究新一代高效传热冷却技术．文献
［1］首次提出了一个崭新的概念—
——纳米流体:即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级非金属、金属或金属氧化物粒子，形成一类新的传热冷却工质．纳米流体概念一经提出，关于纳米流体的制备、稳定性及其强化换热特性等问题引起了世界各国研究学者的广泛关注．自1997年以来，公开发表关于纳米流体相关研究论文逐年增加，纳米流体与传统传热介质相比较，不仅具有较高的导热系数和对流换热系数，而且相对基于Maxwell 理论指导下在液体中添加毫米或微米级的固体粒子悬浮液而言，纳米流体中的固体粒子悬浮稳定性好、不会堵塞或磨损换热设备、也不会引起热力系统压降大大提高．因此，纳米流体较传统悬浮液体的诸多优势显著地拓展了工程应用．
尽管纳米流体的强化传热性能得到了研究人
第1期赵忠超，等:纳米流体强化传热实验研究进展45
员的广泛认可，但是纳米流体中纳米粒子的尺寸效
应使得纳米流体的制备、稳定性及其强化传热机理
更为复杂，其传热特性受到诸多因素影响，且其强
化传热机理还未能被很好地解释．
1纳米流体的制备及分散性和稳定性
由于纳米流体中纳米颗粒的尺度效应，其表现
出的物理性质已经与由传统尺寸微粒构成的悬浮
液体有着显著的差异，如纳米颗粒在基液中的分散
性、稳定性等都将对纳米流体的热物理性质产生较
大影响．因此，纳米流体的制备、分散性及稳定性的
研究是纳米流体强化传热特性研究的前提和基础．
1．1纳米流体的制备及其分散性
纳米流体制备就是将纳米级尺度的固体颗粒
分散到基液(去离子水、乙二醇、机油、导热油等)
中构成纳米流体．目前，纳米流体常用的制备方法
分为单步法和两步法．
单步法是指将纳米颗粒的制备和纳米颗粒分
散到基液中两个不同的操作过程同时进行的方法，
也就是通过物理蒸发沉积方法，即:流动液面真空
沉积法(Vacuum Evaporation onto a Running Oil
Substrate，VEROS)．文献［2］应用VEROS方法制备
了Cu/乙二醇纳米流体，其方法是将Cu蒸汽接触
流动的低蒸发压力的乙二醇液体．文献［3］采用一
步湿化学法，即在乙二醇中加入强还原剂(次亚磷
酸纳或肼)及采用微波辐射作为加热源，制备了
Cu/乙二醇纳米流体．研究表明还原剂的加入量以
及微波辐射加热强度是影响纳米流体物性的主要
因素．文献［4］应用真空潜弧纳米系统制备Cu/水
纳米流体，该方法可以有效的控制分散到基液中纳
米颗粒的粒径尺寸及其团聚．由于应用单步法技术
省略了纳米粒子的干燥、储存、运输及分散等过程，
因此大大地减少了纳米粒子聚集，且可以获得小尺
度的纳米粒子，提高了纳米流体的稳定性，但是单
步法技术仅适用于低蒸汽压的流体．
两步法是指首先用惰性气体凝聚或化学蒸汽
分解等方法制备纳米粒子，然后通过适当的分散手
段(加入分散剂、改变体系pH值、超声振动等)分
散到基液中．文献［5］应用两步法制备了Cu/水、
Cu/变压器油等纳米流体，为了防止铜纳米颗粒的
团聚，应用了表面活性剂及超声搅拌等方式分散纳
米粒子．文献［6］采用两步法制备了AL2O3/水、
AL
2O
3
/机油纳米流体，同时采用了超声振动和磁
力搅拌的方式避免纳米粒子的团聚．文献［7］等应用两步法制备了TiO2/水纳米流体，为了保证TiO2纳米粒子在基液中分散均匀，采用了油酸和十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂防止纳米粒子的团聚．两步法较单步法而言，制备方法程序简单，成本低，几乎适用于所有种类纳米流体的制备，可制备单步法无法得到的以一些高蒸汽压的液体作为基液的纳米流体．但是，对于纳米粉体而言，由于其巨大的比表面积及表面活性，颗粒易形成团聚体，如果不能有效的解决团聚问题，那么就降低了纳米流体的稳定性进而削弱了其强化传热性能．
1．2纳米流体的稳定性
纳米流体能够在一定的时间内稳定分散、不沉降是纳米流体强化传热的必要条件，然而，纳米流体是多相分散体系，具有巨大的界面能，在热力学上是不稳定的．因此，通过调控分散条件是纳米粒子在一定的时间内不发生聚集和沉降，从而达到动力学的稳定和聚集稳定是科研人员研究的重要内容之一．文献［8］采用实验的方法研究了Cu/水纳米流体稳定性与纳米流体的pH值以及纳米流体浓度之间的关系．实验结果表明:通过使用分散剂将Cu/水纳米流体的pH值保持在9.5左右，其可以获得最好的稳定性．文献［9］采用UV-vis光谱分析法研究纳米流体的稳定性．研究发现纳米流体的稳定性与纳米粒子化学结构、形态以及基液的性质有较强的依变关系;纳米粒子的粒径尺寸和基液的动力粘度是影响纳米流体稳定性的最重要的两个因素．文献［9－10］应用UV－vis光谱分析法，通过测量纳米流体对光谱的吸收特性获得了纳米流体的浓度与纳米颗粒沉积时间的关系．
目前，提高纳米流体稳定性的技术手段仅局限于添加分散剂、调节纳米流体pH值及超声振荡等技术手段，通过上述方法制得的纳米稳定性也保持在几天至几个月不等．因此，现有的技术手段还不能完全满足纳米流体稳定性的要求，通过改变纳米粒子的微观结构应当是提高纳米流体稳定性的发展趋势．
2纳米流体强化传热性能的实验研究
随着纳米流体概念的提出和对其研究的逐步深入，研究的结果表明纳米流体的强化传热性能与传统的流体及其悬浮液有显著的差异，突出地表现在纳米流体的热传导性、纳米流体强化对流换热等方面．由于纳米粒子尺度效应的影响，现有的强化换热理论已经不能明晰地揭示纳米流体传热机理．因此，对纳米流体的热传导性能及对流换热性能的基础研究是当前研究的主要内容．
46江苏科技大学学报(自然科学版)第25卷
2．1纳米流体的热传导性能研究
导热系数是反映介质传热能力的主要参数，纳
米流体导热系数的增大是纳米流体强化传热优越性
的突出表现，对其导热系数的测量是纳米流体热传
导性能的主要研究内容．文献［11］分别测量了以
CuO和Al
2O
3
纳米粒子、基液为去离子水和乙二醇
的4种纳米流体的导热系数，这4种纳米流体的导热系数与其基液相比较均有明显的提高，尤其体积浓度为4%的CuO/乙二醇纳米流体的导热系数提高了20%．尽管Al2O3纳米粒径尺寸小于CuO纳米颗粒，但是其纳米流体的导热系数提高比例要小于CuO纳米流体．文献［12］研究了纳米流体导热系数的变化规律与纳米颗粒比表面积(Specific Surface
Area，SSA)关系，发现Al
2O
3
/乙二醇纳米流体导热
系数随纳米颗粒的比表面积的增大，先增大后减小，当比表面积SSA为25m2/g时，其导热系数达到最大值．文献［13］通过实验测量了应用平均粒径为10nm的Fe纳米粒子制备的Fe/乙二醇纳米流体导热系数，同时将其与Cu/乙二醇纳米流体比较发现，尽管Cu的导热系数要远大于Fe的导热系数，但是Fe/乙二醇纳米流体导热系数提高比例显著高于Cu/乙二醇纳米流体;同时发现纳米粒子的团聚程度决定了纳米流体导热系数提高的幅度，正是纳米粒子的团聚影响，使得Fe/乙二醇纳米流体导热系数变化与其体积浓度呈非线性关系．文献［14］采用改良瞬态热线法测量了碳纳米管/水纳米流体的导热系数，测量结果表明:碳纳米管/水纳米流体的导热系数显著的高于其基液———水，碳纳米管/水纳米流体的导热系数受质量浓度、温度、分散剂的种类以及pH值等参数的影响，当其质量浓度为1%，环境温度为25ħ时的导热系数比基液提高了30%;文献［15］研究了以多壁碳纳米管表面分别附着金、银、钯金属纳米颗粒，基液分别为去离子水和乙二醇的纳米流体的导热系数，发现以多壁碳纳米管与银纳米颗粒制备的去离子水和乙二醇纳米流体的导热系数提高的程度远大于其它纳米流体，当其体积浓度为0.03%时，基液为去离子水和乙二醇的纳米流体的导热系数与其基液相比较分别提高了37.3%和11.3%．
通过分析以上研究结果可以发现，影响纳米流体导热系数的因素很多，既有纳米颗粒尺度、团聚程度、热物理性质等因素，也有基液、分散剂、分散手段等因素．总之，尽管研究人员对纳米流体的导热性能做了大量的实验研究工作，但是如何确定纳米流体导热系数还没有得到一致的结论，还有待于进一步研究．2．2纳米流体强化对流换热性能研究
作为一种新型的强化换热工质，纳米流体在导热系数方面所展现的与传统流体和悬浮液不同的热物理性质，除了测定其导热系数等输运参数外，研究纳米流体的强制对流换热、自然对流换热和沸腾换热是非常必要的．
2．2．1纳米流体强制对流换热性能研究
文献［16］采用了实验的方法研究了Al2O3/去离子水纳米流体处于层流流态时，流经圆管内的对流换热情况．研究发现Al2O3/去离子水纳米流体显著的提高了对流换热系数，且对流换热系数随雷诺数Re和纳米流体的浓度增加而增加;对流换热系数在圆管入口处大比例提高，沿圆管的轴向其提高比例逐渐减小．文献［17］研究了Al2O3/水、ZrO
2
/水纳米流体在层流状态下流经竖直圆管的对流换热和压降情况．研究结果表明:体积浓度为
6%的Al
2
O
3
/水纳米流体，在入口段和充分发展段的对流换热系数分别提高了17%和27%;体积浓度为1.32%的ZrO2/水纳米流体，在入口段和充分发展段的对流换热系数分别提高了2%和3%;这两种纳米流体在管内的流动压降高于其基液水的流动压降．文献［18］研究了体积份数为0.15%和0.26%的Al2O3/水纳米流体，流经水力直径为194．5μm的梯形硅微槽道对流换热．实验表明:Al2O3/水纳米流体在硅微槽道内的对流换热系数显著提高，且Nus-selt数随纳米流体的体积份数、Reynolds数和Prandtl 数增加而增加;纳米流体在硅微槽道内的压降和流动阻力与基液相比增加较少．
通过分析公开发表的研究结果，发现应用纳米流体可以提高其强制对流换热性能，但是由于纳米流体强制对流换热的研究结果有限，从现有的实验结果还很难获得普遍认可的纳米流体强化强制对流换热的结论．因此，为了获得对纳米流体强制对流换热性能的清晰认识，不同体系和不同物理性质纳米流体的实验研究是必要的．
2．2．2纳米流体自然对流换热性能研究
与强迫对流换热不同，针对纳米流体自然对流强化换热性能的研究报道较少，且研究结果有很大的差异．文献［19］研究了Al2O3/水和Cu/水纳米流体在水平圆管内的自然对流换热，发现两种纳米流体的对流换热系数小于基液的自然对流换热系数，恶化了其自然对流换热性能;自然对流换热系数的减少比例与纳米流体的浓度、粒径尺寸和圆筒的尺寸有关，其中纳米流体的浓度是恶化其自然对流换热首要因素．文献［20］研究了TiO2/水纳米流
第1期赵忠超，等:纳米流体强化传热实验研究进展47
体流经由直径为240mm，间距为10mm两水平铝
制圆盘时的稳态和瞬态自然对流换热，研究人员获
得了与文献［19］相同的结论，即:纳米流体恶化了
自然对流换热性能．文献［21］采用数值分析的方
法研究了Cu/水、Ag/水、Al2O3/水和TiO2/水等纳
米流体倾斜的封闭空腔内的自然对流，发现随着纳
米流体体积份数和Rayleigh数的增加，纳米流体的
平均对流换热系数显著的增加．文献［21］研究成
果与文献［19－20］的结论完全相反，目前还没有
解释这种现象的理论．文献［22］应用实验的方法
研究了全氟己烷/水纳米流体的自然对流换热，发
现全氟己烷以纳米尺寸液滴形式构成的纳米流体
提高了其自然对流换热性能，与固体纳米粒子构成
的纳米流体在自然对流换热方面取得的结论与文
献［19－20］相反．
纳米流体自然对流换热与其强制对流换热研
究结果不同，不同研究人员的研究结果具有较大的
差异，甚至截然相反．纳米流体的当量导热系数不
是影响其自然对流换热性能的主要因素，纳米流体
的体积/质量份数、pH值、纳米粒子的尺寸及其形
状等在未来的研究中都是需要考虑的重要参数．
2．2．3纳米流体沸腾换热性能研究
文献［23－24］应用实验的方法研究了Al2O3/
水纳米流体(纳米粒子粒径尺寸为20 50nm，体
积份数为1% 16%)池沸腾换热性能．研究发现:
应用不同尺寸加热管，在相同的热流密度下，纳米
流体沸腾所需要的表面过热度增大，核态沸腾换热
系数降低，且随纳米流体浓度的提高，沸腾换热性
能弱化程度提高，直径为4mm的加热管相对于直
径为6．5mm的加热管弱化程度降低;随着纳米流
体浓度的增加，纳米颗粒在加热管表面沉积程度加
重，使沸腾换热表面粗糙度降低，减少了沸腾表面
的汽化核心数目，恶化沸腾换热性能．文献［25］研
究了Al2O3/水纳米流体在直径为150mm刨光不
锈钢盘表面的池沸腾换热，研究发现纳米流体提高
了沸腾换热系数，且随着纳米流体浓度和热流密度
的增加，这种强化换热效果越明显;质量份数为
1.25%的Al
2O
3
/水纳米流体可以将其沸腾换热系
数提高40%;在实验的过程中没有发现纳米颗粒沉积沸腾换热表面的现象．文献［26］对多壁碳纳米管/水纳米流体池沸腾的换热系数和临界热流进行了研究，实验采用多壁碳纳米管/水纳米流体的体积份数分别为0.0001%，0.001%，0.01%和0.05%．研究表明:多壁碳纳米管/水纳米流体的沸腾换热系数小于水的沸腾换热系数，但是其纳米流体的临界热流密度有明显的提高，体积份数为0.001%的纳米流体的临界热流密度较水的提高了一倍;研究发现在沸腾换热表面有多壁碳纳米管沉积．文献［27］研究了多壁碳纳米管/水纳米流体在水平不锈钢管(长为115mm，直径为9mm)上的池沸腾换热，多壁碳纳米管/水纳米流体的体积份数分别为0．25%，0．5%和1．0%，结果表明:对于体积份数分别为0.25%，0．5%和1．0%的多壁碳纳米管/水纳米流体分别在961kW/m2，611kW/m2和508kW/m2的临界热流密度条件下，其沸腾换热系数较水的沸腾换热系数而言，分别提高了75%，20%和20%．
实验结果表明，纳米流体沸腾换热强化与否是纳米颗粒强化流体内部热量迁移与其沉积沸腾换热表面弱化其换热性能综合作用的结果，纳米流体的稳定性对其沸腾换热的强化扮演重要的角色．因此，在高温条件下针对纳米流体稳定性以及分散剂的失效性研究，是获得纳米流体沸腾换热性能强化与否的研究途径之一．
3展望
1)现有的纳米流体制备方法，为纳米流体的获得提供了较多的选择，在原有制备方法基础上，深入开展纳米流体的表面处理和改性、开发新的性能优越的分散剂和稳定剂以及探索分散条件和制备工艺的优化等研究，是纳米流体制备基础研究的发展趋势;
2)纳米流体强化换热特性受纳米流体的制备工艺影响较大，在研究纳米流体换热特性时应尽量统一强化换热实验条件，如纳米流体的制备方法，分散手段及稳定性调控方式等，以做到对比，从而澄清目前研究结果的分歧，深化对纳米流体强化传热机理的理解;
3)进一步采用先进、精确的测试方法和手段对纳米流体强化传热进行实验研究，积累丰富的实验数据，探讨纳米颗粒的传输机理，发展适合纳米流体的流动和传热理论体系．
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(责任编辑:贡洪殿)。